OPC UA TSN – nové riešenie priemyselnej komunikácie (3)

Na trhu priemyselnej komunikácie dominujú systémy priemyselných zberníc založené na ethernete. Hoci majú podobné požiadavky a trhové segmenty, ich implementácia a ekosystémy sa značne líšia. Väčšina z nich má zodpovedajúcu zastrešujúcu organizáciu, ktorú riadi a financuje jeden veľký hráč na trhu, ktorý zároveň riadi vývoj danej technológie. Zainteresované strany v hodnotovom reťazci nie sú vo svojich rozhodnutiach pre konkrétne technológie zvyčajne dobre zosúladené. Výsledkom je, že koncoví zákazníci a výrobcovia zariadení čelia mnohým technológiám, ktoré treba vyrábať, prevádzkovať, diagnostikovať, udržiavať a skladovať. Zatiaľ čo dostupnosť produktov a služieb je vo veľkej miere uspokojivá, zaoberanie sa viacerými riešeniami prináša vysoké náklady a obmedzuje možnosti internetu vecí (IoT).

Ďalšie normy

IEEE 802.1Qbu a IEEE 802.3br (voliteľné)

Preempciu (t. j. prerušenie práve vykonávaného procesu, resp. úlohy bez toho, aby sa vyžadovala jeho spolupráca) rámca [12], [13] možno použiť na maximalizáciu priepustnosti v prevádzke typu best-effort (čo najrýchlejšie obslúženie všetkých používateľov bez spomaľujúcich procedúr zaisťujúcich spoľahlivosť) v prípade, že sa používajú plánovacie (Qbv) mechanizmy na prenos rámcov. Preempcia nie je vhodná pre iné typy prevádzky ako prenos best-effort, pretože ruší všetky záruky týkajúce sa týchto prenosov. V prípade gigabitového ethernetu je zisk pre best-effort prevádzku zanedbateľný. Napríklad maximálny ethernetový rámec (1,5 kB) zaberie 12,3 µs vysielacieho času. Vzhľadom na bežný čas cyklu 1 ms možno využitie šírky pásma zvýšiť o <1 %, keď sa preempcia použije na jeden rámec v rámci jedného cyklu.
IEEE 802.1CS (voliteľné)
Rozšírenie protokolu rezervácie vysielania audia a videa. Tento projekt sa práve začal. Definuje alternatívnu – v súčasnosti nekompatibilnú – konfiguračnú cestu (tzv. úplne distribuovaný konfiguračný model) pre aplikácie iba s prenosom typu III (a prenosom best-effort), a preto je jeho použitie v priemyselných aplikáciách obmedzené.

Zhrnutie

Povinné normy sú preto. 1AS (-Rev), Qbv,. 1CB a Qcc s úplne centralizovaným modelom plus NETCONF cez TLS. Členovia aliancie AVnu definujú smernice týkajúce sa zhody a prepojiteľnosti s cieľom implementácie týchto noriem.

D. Vrstvy 3 – 6

Pri OPC UA Client/Server sú podporované pripojenia TCP/IP s voliteľným zabezpečením (TLS). Pri pripojení Pub/Sub je podporovaný UADP (Unified Architecture Datagram Packet) cez UDP/IP alebo UADP priamo cez neupravený ethernet. Bezpečnosť je riešená vo vrstve UADP. Iné možnosti prenosu pre UADP (tzn. cloudové protokoly) nespadajú do rozsahu tohto dokumentu. NETCONF tiež používa TCP/IP s TLS. HTTP(S) je voliteľný na aktualizáciu firmvéru a webové aplikácie na zariadeniach.

E. Aplikačná vrstva

OPC UA sa používa na aplikačnej vrstve vrátane podpory pre komunikačné modely Client/Server a Publish/Subscribe. Servery OPC UA by mali na všetkých zariadeniach podporovať zabudovaný serverový profil. Pri zariadeniach s obmedzenými zdrojmi možno použiť iba funkciu Publisher na poskytovanie údajov a klienta TCB na konfiguráciu siete.

  • Client/Server: komunikačný model používaný na konfiguráciu zariadenia, prehliadanie informačného modelu, registráciu, napr. diagnostických informácií. Aby boli aplikácie bezpečné, musí konfigurácia zariadenia poskytovať integritu dát (podpis) a voliteľnú dôvernosť (šifrovanie).
  • Publisher/Subscriber (skr. Pub/Sub): komunikačný model na cyklický prenos. Voliteľne podpísanie a/alebo šifrovanie pomocou zabezpečenia na báze OPC UA. Profil záhlavia so statickými odsadeniami množín údajov môže byť použitý na efektívnu extrakciu množiny údajov v koncových staniciach.

Plánovanie podľa obr. 7 obsahuje jedno nadradené zariadenie – master (M) a sedem podriadených – slave (S1 – S7). Všetky podriadené jednotky odosielajú do nadradeného zariadenia (obr. 7a) rámce s podobnou veľkosťou typu 1. Plánovanie sa vypočíta tak, že rámce sa dostanú k nadradenému zariadeniu jeden po druhom bez pauzy, pričom prvý podriadený modul pošle svoj rámec pri štarte cyklu.

Obr. 7b zobrazuje Qbv konfiguráciu vnútorného portu nadradeného zariadenia, ktorý prijíma rámce (začiatok cyklu je na 90°). Brána pre typ 1 sa otvára krátko po štarte cyklu (t0) a zostáva otvorená, kým sa neprijmú všetky rámce, a až potom sa zatvára (t1). Počas toho nie sú otvorené žiadne iné brány. Potom sa brány pre typy 2 – 8 otvárajú súčasne. Typ 2 zostáva otvorený celý zostávajúci čas, čo dáva najvyššiu prioritu riadeniu prevádzky v sieti (ak sa taká prevádzka vyskytne). Následne sa brána pre typ 4 zatvára (t2), čo dáva typu 5 určitý čas s najvyššou prioritou a tak ďalej (t3; t4).

Obr. 7c znázorňuje Qbv konfiguráciu ľavého portu S5. Plány uvedené na obr. 7a a 7b sú založené na jednotlivých časoch zariadení. Očakáva sa však, že synchronizácia medzi zariadeniami je dostatočne dobrá na to, aby podporovala tento prístup, a – pre jednoduchosť – hovorí o jednom čase začiatku cyklu, ktorý je spoločný pre sieť. Brána pre typ 1 sa otvára pre tri rámce smerom k nadradenému zariadeniu (t0 – t1), po ktorom nasleduje čas, keď sa otvoria brány pre ostatné typy. Len bezprostredne pred ďalšou izochronickou premávkou sa brány pre typy 4 – 6 uzavrú v podobnom časovom rozstupe ako pri hlavnej bráne. Takto je záruka šírky pásma pre typy 4 – 6 a 8 v celej sieti rovnaká približne na úrovni 8 %. Rovnaká veľkosť sa používa len na zobrazenie a nemusí mať praktické využitie.

F. Dodatočne vyžadované funkcie

Referenčný model ISO/OSI (obr. 5 v predchádzajúcej časti seriálu) poskytuje rýchly prehľad radu protokolov zahrnutých v technológii OPC UA TSN. Na splnenie požiadaviek priemyselných komunikačných systémov sú však potrebné nasledujúce doplnkové funkcie:

Roly zariadenia
V nasledujúcej časti seriálu bližšie opíšeme funkcie potrebné na zavedenie (bootovanie) a prevádzku siete so zariadeniami využívajúcimi OPC UA TSN. Roly sú (takmer) nezávislé od hardvéru, na ktorom bežia.

Stavové mechanizmy
Koncové stanice v priemyselnej sieti musia mať jednotné správanie definované podľa stavového mechanizmu. To umožňuje, aby centrálna inštancia (t. j. uzol sieťového riadenia) usporiadala správanie celej siete. Mnohé priemyselné ethernetové riešenia implementujú stavový mechanizmus založený na princípoch CiA [14].

Detekcia topológie
Plánovanie prevádzky v reálnom čase vyžaduje podrobné znalosti o topológii siete. Topológie môžu byť detegované (pomocou Link Layer Discovery Protocol – LLDP) a importované alebo vytvorené offline v konfiguračnom nástroji. Centrálna konfigurácia siete (CNC) používa tieto informácie na výpočet konfigurácií pre Qbv a Qav.

Prechodové spínanie (cut-through switching)
Výkon cyklického času, ktorý možno dosiahnuť v spínanej sieti, závisí do značnej miery od oneskorenia prenosu rámcov. V tomto smere predstavujú výzvu najmä dlhé alebo kruhové topológie. Prechodové spínanie (presmerovávanie rámca len čo sa dekódovali informácie o adrese) predstavuje nenahraditeľnú funkciu trojportových prepínačov v prevádzkových zariadeniach. Ohľadom spínania orezávaním nie je k dispozícii žiadna norma. Hlavným protiargumentom je, že rámec by mohol byť poškodený, čo možno zistiť iba pomocou FCS na konci rámca. Okrem toho niektoré funkcie TSN, ako sú napríklad časti kontroly vstupu, nie sú kompatibilné s prechodom. Argument výkonnosti však prevažuje nad nevýhodami. Ak sa použije gigabitová fyzická vrstva, vyžaduje sa oneskorenie presmerovania vrátane PHYs hlboko pod 1 µs, t. j. ltarget = 800 ns.

Profily zariadení
V priemyselných komunikačných systémoch treba zabezpečiť schopnosť vzájomnej spolupráce na každej vrstve OSI. Najnižšia vrstva, ktorá porušuje schopnosť spolupráce, predstavuje najvyššiu vrstvu na spoluprácu celého systému nezávisle od akýchkoľvek vyšších vrstiev. Staršie priemyselné ethernetové systémy zdieľajú len isté fyzické médiá (káble, zástrčky), tzn. vrstvu 1. Táto skutočnosť spôsobila nespokojnosť zákazníkov, pretože pôvodná marketingová správa bola, že ethernet je ethernet, takže všetky siete tohto typu by mali byť kompatibilné. Aby sa zabránilo tomu, že technológia OPC UA TSN sa dostane do rovnakej situácie, cieľom je použiť spoločnú implementáciu všetkých siedmich vrstiev OSI (na komunikáciu medzi zariadeniami) a navyše mať k dispozícii štandardný profil zariadenia a profily zariadení špecifických pre daný typ zariadenia. V súčasnosti sa zvažujú štandardizované profily pre bezpečnosť, pohony, V/V a komunikáciu medzi riadiacimi systémami.

Súbory s opisom zariadenia
V oblasti OPC UA je zariadenie reprezentované serverovou inštanciou, ktorej funkcie možno „kedykoľvek“ prehľadávať on-line. Zatiaľ čo v prípade niektorých priemyselných aplikácií je online prehľadávanie dostačujúce, aplikácie s vysokým stupňom opakovania, napr. sériová výroba strojov, vyžadujú off-line metódu konfigurácie a programovania zariadení. Všetky relevantné funkcie zariadenia (OPC UA, aplikačné a sieťové funkcie) musia byť preto opísané v súboroch, ktoré nahrádzajú on-line prístup k zariadeniu.
V záverečnej časti sa budeme zaoberať konfiguráciou a zavádzaním (bootovaním), správou rolí jednotlivých zariadení a zhrnieme problematiku TSN z hľadiska dosiahnutých výsledkov.

Literatúra

[12] IEEE Std 802.1Qbu-2016: Standard for local and metropolitan area networks – media access control (mac) bridges and virtual bridged local area networks – amendment: Frame preemption. In: IEEE, New York, USA, Standard, 2016.
[13] IEEE Std 802.3br-2016: Standard for local and metropolitan area networks – media access control (mac) bridges and virtual bridged local area networks – amendment: Specification and management parameters for interspersing express traffic. In: IEEE, New York, USA, Standard, 2016.
[14] CiA 301-2007: CANopen application layer and communication profile. CAN in Automation (CiA) e. V., Nuremberg, DE, Standard, 2007.

Pokračovanie v ďalšom čísle.

Dietmar Bruckner
B&R Industrial Automation
dietmar.bruckner@br-automation.com

Rick Blair
Schneider Electric
rick.blair@schneider-electric.com

Marius-Petru Stanica
ABB Automation Products
marius-petru.stanica@de.abb.com

Astrit Ademaj
TTTech Computertechnik
astrit.ademaj@tttech.com

Wesley Skeffington
General Electric Company
wesley.skeffington@ge.com

Dirk Kutscher
Huawei Technologies
dirk.kutscher@huawei.com

Sebastian Schriegel
Fraunhofer IOSB-INA
sebastian.schriegel@iosb-ina.fraunhofer.de

R. Wilmes
Phoenix Contact Electronics
rwilmes@phoenixcontact.com

Karl Wachswender
Intel Corporation
karl.wachswender@intel.com

Ludwig Leurs
Bosch Rexroth
ludwig.leurs@boschrexroth.de

M. Seewald
Cisco Systems
maseewal@cisco.com

Rene Hummen
Hirschmann Automation and Control
rene.hummen@belden.com

Eric-C. Liu
Moxa
ericcc.liu@moxa.com

Siddharth Ravikumar
Kalycito Infotech
siddharth.r@kalycito.com